Técnicas de demostración
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Técnicas de demostración
Estructuras Discretas Teoremas Definición: teorema Técnicas de demostración Una expresión que se ha demostrado como verdadera con respecto a axiomas, teoremas existentes. ¿Comó se demuestra un teorema? Claudio Lobos, Jocelyn Simmonds clobos,[email protected] Universidad Técnica Federico Santa Marı́a Estructuras Discretas – INF 152 Debemos construir un argumento lógico (una demostración) Queremos demostrar que si las hipótesis del teorema se cumplen . . . . . . entonces podemos deducir la conclusión del teorema. Para construir un demostración, primero tenemos que saber como derivar nuevas expresiones a partir de las conocidas – estas son las reglas de inferencia. Reglas de Inferencia Reglas de Inferencia Ley de Combinación p q p∧q Son reglas que justifican los pasos de una demostración: ←−−−−−−−−− hipótesis ←−−−−−−−−− conclusión Estas reglas se derivan de tautologı́as básicas de la forma “A ⇒ B” Significado: Si p es V, y además q es V, entonces podemos inferir que p ∧ q es V Esto es porque si asumimos que A es V, entonces el único caso en que A ⇒ B es V es cuando B también es V Tautologı́a: p ∧ q ⇒ p ∧ q Ejemplo: Hipótesis: Hoy comı́ tostadas (p) Hoy tomé café (q) Conclusión: hoy comı́ tostadas y tomé café (p ∧ q) Reglas de Inferencia Reglas de Inferencia Ley de Simplificación Ley de Adición p∧q p p p∨q Significado: Si p ∧ q es V, podemos inferir que p debe ser V (y lo mismo para q) Significado: Si p es V, podemos inferir que p ∨ q debe ser V (q puede ser cualquier cosa) Tautologı́a: p ∧ q ⇒ p Tautologı́a: p ⇒ p ∨ q Ejemplo: Ejemplo: Hipótesis: Tome café y tome té (p ∧ q) Hipótesis: Le eché leche a mi café (p) Conclusión: tome café (p) Conclusión: hay leche o azúcar en mi café (p ∨ q) Reglas de Inferencia Reglas de Inferencia Modus Ponens Modus Tollens p p⇒q q Significado: Si tanto la implicación (p ⇒ q) como su antecedente (p) son V, entonces la conclusión de la implicación (q) tiene que ser V Tautologı́a: (p ∧ (p ⇒ q)) ⇒ q ¬q p⇒q ¬p Significado: Similar a Modus Ponens, pero con respecto a la contrarecı́proca (recordar que p ⇒ q ≡ ¬q ⇒ ¬p) Tautologı́a: (¬q ∧ (p ⇒ q)) ⇒ ¬p Ejemplo: Ejemplo: Hipótesis: Si hoy hay sol, entonces vamos a la playa (p ⇒ q) Hoy hay sol (p) Conclusión: vamos a la playa (q) Hipótesis: Si hoy hay sol, entonces vamos a la playa (p ⇒ q) Hoy no fuimos a la playa (¬q) Conclusión: hoy no hizo sol (¬p) Reglas de Inferencia Reglas de Inferencia Silogismo Hipotético Silogismo Disyuntivo p⇒q q⇒r p⇒r Significado: la implicancia es transitiva Tautologı́a: [(p ⇒ q) ∧ (q ⇒ r)] ⇒ (p ⇒ r) p∨q ¬p q Significado: Similar a Modus Ponens, dado que p ∨ q ≡ ¬p ⇒ q Tautologı́a: [(p ∨ q) ∧ ¬p] ⇒ q Ejemplo: Ejemplo: Hipótesis: Si hoy hay sol, entonces haremos un asado (p ⇒ q) Si hacemos un asado hoy, entonces hay que ir al supermercado (q ⇒ r ) Conclusión: si hoy hay sol, entonces hay que ir al supermercado (p ⇒ r) Reglas de Inferencia Hipótesis: Le eché azúcar o leche a mi café (p ∨ q) No le eché azúcar a mi café (¬p) Conclusión: le eché leche a mi café (q) Ejemplo Ley de Resolución p∨q ¬p ∨ r q∨r Significado: Si p es V, entonces r tiene que ser V . . . y si p es F, entonces q tiene que ser V Entonces, para que ambas hipótesis sean verdadera, no importa el valor de p, lo que necesitamos es que q o r sean V Tautologı́a: [(p ∨ q) ∧ (¬p ∨ r)] ⇒ (q ∨ r) Ejemplo: Hipótesis: Hace calor o Pedro juega fútbol (p ∨ q) No hace calor o Juan esta en la playa (¬p ∨ r) Conclusión: Pedro juega fútbol o Juan esta en la playa (q ∨ r) Demuestre que el siguiente argumento lógico es válido: ¬p ∧ q r⇒p ¬r ⇒ s s⇒t t En otras palabras, deben mostrar que es posible deducir la conclusión de las hipótesis, usando las reglas de inferencia. Solución: 1. ¬p ∧ q 2. ¬p 3. r ⇒ p 4. ¬r hipótesis simplificación (linea 1) hipótesis m. tollens (lineas 2, 3) ∴ El argumento es correcto. 5. 6. 7. 8. ¬r ⇒ s s s⇒t t hipótesis m. ponens (lineas 4, 5) hipótesis m. ponens (lineas 6, 7) Reglas de Inferencia con Cuantificadores Reglas de Inferencia con Cuantificadores Particularización Universal Generalización Universal P(c) para c arbitrario ∀x P(x) ∀x P(x) P(c) Significado: Si P(x) es V para todo x, entonces P(c) es V, donde c es un valor particular de x Ejemplo: Hipótesis: Todos los cursos en la UTFSM son difı́ciles (∀x P(x)) Significado: Si podemos demostrar que P(c) es V, donde c es un elemento arbitrario, entonces P(x) es V, ∀x Esta regla usualmente se aplica de la siguiente forma: 1 Definir un elemento arbitrario c 2 Demostrar que P(c) es V. Como el elemento c es arbitrario, no pueden usar propiedades de c para demostrar que P(c) es V 3 Como c representa a cualquier elemento, podemos concluir que ∀x P(x) es V Conclusión: INF-152 es difı́cil (P(c)) Reglas de Inferencia con Cuantificadores Reglas de Inferencia con Cuantificadores Generalización Universal Particularización Existencial ∃x P(x) P(c) para un elemento c Ejemplo: Si P(x) : x > x − 1, ¿cuál de los dos argumentos lógicos es correcto? P(3) ∀x P(x) P(n) ∀x P(x) La misma pregunta, donde C(p) : persona p tiene cumpleaños C(Maria) ∀p C(p) C(q) ∀p C(p) Significado: Si sabemos que existe un x tal que P(x) es V, entonces le podemos dar nombre a este elemento Ojo que c debe ser una nueva variable, no puede ser una ya en uso en la demostración Generalmente, solo se sabe que existe, y no su valor. Como existe, se le puede dar nombre y continuar el argumento. Ejemplo: Hipótesis: Alguien ha inscrito este ramo (∃x P(x)) Conclusión: entonces, sea “Pedrito” ese alguien. Reglas de Inferencia con Cuantificadores Ejemplos Generalización Existencial ¿Es válido el siguiente argumento? P(c) para un elemento c ∃x P(x) D(p) : p es alumno de INF-152 C(p) : p es alumno de Ing. Civil Informática ∀p (D(p) ⇒ C(p)) D(Juan) C(Juan) Significado: Si conocemos un elemento c donde P(c) es V, entonces podemos concluir que ∃x P(x) es V Ejemplo: Solución: Hipótesis: Juan ha comido pizza (P(c)) 1. 2. 3. 4. Conclusión: Por lo tanto, alguien ha comido pizza (∃x P(x)) ∀p (D(p) ⇒ C(p)) D(Juan) ⇒ C(Juan) D(Juan) C(Juan) hipótesis part. universal, Juan es de tipo p hipótesis modus ponens, lineas 2 y 3 ∴ El argumento es correcto. Ejercicio Si los siguientes argumentos son correctos: Un alumno de este curso no ha bajado la guı́a de ejercicios Todos los alumnos aprobaron el primer certamen Mostrar que lo anterior implica: Alguien quien aprobó el primer certamen no bajó la guı́a de ejercicios Primer paso: formalizar x : persona E(x) : x es alumno de este curso G(x) : x ha bajado la guı́a de ejercicios P(x) : x ha aprobado el primer certamen Ejemplo x : persona G(x) : x ha bajado la guı́a de ejercicios E(x) : x es alumno de este curso P(x) : x ha aprobado el primer certamen Entonces: ∃x (E(x) ∧ ¬G(x)) ∀x (E(x) ⇒ P(x)) ∃x (P(x) ∧ ¬G(x)) Solución: demostrar de que el argumento es válido 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. ∃x (E(x) ∧ ¬G(x)) E(a) ∧ ¬G(a) E(a) ∀x (E(x) ⇒ P(x)) E(a) ⇒ P(a) P(a) ¬G(a) P(a) ∧ ¬G(a) ∃x (P(x) ∧ ¬G(x)) hipótesis part. existencial de linea 1, a es alumno simplificación de linea 2 hipótesis part. universal de linea 4 modus ponens de lineas 3, 5 simplificación de linea 2 combinación de linea 6, 7 gen. existencial de linea 8 ∴ El argumento es correcto. Teoremas Definición: teorema Una expresión que se ha demostrado como verdadera con respecto a axiomas, teoremas existentes. Técnicas de demostración Muchos teoremas se escriben como implicaciones: si p1 , p2 , p3 , . . . pn son todas verdaderas (hipótesis), entonces q también lo es En otras palabras, queremos demostrar teoremas de la forma p1 ∧ p2 ∧ p3 ∧ · · · ∧ pn ⇒ q Terminologı́a Definición: conjetura Expresión cuyo valor de verdad es desconocido. Si podemos demostrar una conjetura, entonces esta se convierte en teorema Técnicas de Demostración Para teoremas de la forma p ⇒ q: Demostración Directa Demostración Indirecta Definición: lema Demostración Vacua Teorema sencillo usado en la demostración de otros teoremas (un resultado útil, pero no suficientemente “interesante” como para ponerle nombre) Demostración Trivial Definición: corolario Proposición que se puede establecer directamente a partir de un teorema ya demostrado Reducción al Absurdo (también conocida como “Demostración por Contradicción”) Demostración por Casos Demostración de Equivalencia Demostración Directa Demostración Directa Ejemplo Demostrar que si n es un entero impar, entonces n2 es un entero impar. Demostración: Para demostrar p ⇒ q de forma directa: 1 Asumir que p es V 2 Usar las reglas de inferencia y teoremas ya demostrados para demostrar que q también debe ser V Ejemplo: Demostrar que si n es un entero impar, entonces entero impar. Notese que: n2 1 Primero, SIEMPRE especificar lo que van a demostrar p : n es un entero impar q : n2 es un entero impar Queremos demostrar que p ⇒ q 2 Asumir que p es V. O sea, n es impar, lo que significa que ∃k tal que n = 2k + 1 3 Ahora, traten de deducir que q es V de lo que ya sabemos: n2 = (2k + 1)2 = 4k2 + 4k + 1 = 2(2k2 + 2k) + 1 = 2` + 1 es un un entero n es par si ∃k tal que n = 2k . . . . . . y es impar si ∃k tal que n = 2k + 1 4 Conclusión: como ∃` tal que n2 = 2` + 1, podemos concluir que n2 es entero impar si n es impar Como este es un teorema simple, basto con un poco de álgebra para inferir q, pero usualmente tendrán que aplicar las reglas de inferencia Demostración Indirecta Demostración Indirecta Ejemplo Para demostrar p ⇒ q de forma indirecta: 1 Como p ⇒ q ≡ ¬q ⇒ ¬p (contrarecı́proca) 2 Asumir que ¬q es V 3 Usar las reglas de inferencia y teoremas ya demostrados para demostrar que ¬p también debe ser V Es decir, una demostración indirecta de p ⇒ q es una demostración directa de ¬q ⇒ ¬p Ejemplo: Demostrar que si 3n + 2 es entero impar, entonces n es entero impar Demostrar que si 3n + 2 es entero impar, entonces n es entero impar. Demostración: 1 Especificar lo que van a demostrar p : 3n + 2 es un entero impar q : n es un entero impar Queremos demostrar que ¬q ⇒ ¬p 2 Asumir que ¬q es V. O sea, n es par, lo que significa que ∃k tal que n = 2k 3 Se sigue entonces que 3n + 2 = 3(2k) + 2 = 6k + 2 = 2(3k + 1) = 2` 4 Conclusión: como ∃` tal que 3n + 2 = 2`, podemos concluir que 3n + 2 es entero par (entonces, ¬p es V) Demostración Vacua Para demostrar p ⇒ q de forma vacua: Demostración Trivial Para demostrar p ⇒ q de forma trivial: 1 ¿Que sucede si p siempre es F? 1 ¿Que sucede si q siempre es V? 2 En ese caso, p ⇒ q es siempre V, sin importar el valor de q 2 En ese caso, p ⇒ q es siempre V, sin importar el valor de p 3 Entonces, si podemos demostrar que p es siempre F, hemos demostrado que p ⇒ q por vacuidad 3 Entonces, si podemos demostrar que q es siempre V, hemos demostrado que p ⇒ q por trivialidad Ejemplo: Muestre que la proposición P(0) es V, donde P(n) es el predicado “si n > 1, entonces n2 > n” Ejemplo: Demuestre que si n es la suma de dos números primos, entonces n es par o impar Demostración: Demostración: 1 2 P(0) es la implicación “si 0 > 1, entonces 02 > 0”, donde p : 0 > 1 y q : 02 > 0 Conclusión: como p siempre es F, P(0) es V de forma vacua 1 p : n es la suma de dos números primos, y q : n es par o impar 2 Pero impar ≡ ¬ par, ası́ que q siempre es V 3 Conclusión: como q siempre es V, p ⇒ q es trivialmente V Reducción al Absurdo Reducción al Absurdo Demostración por Contradicción Ejemplo Caso simple: demostrar que p es V por reducción al absurdo Asumir que ¬p es V Ejemplo: Muestre que Usar las reglas de inferencia y teoremas ya demostrados para llegar a una contradicción, o sea, ¬p ⇒ F Demostración: 4 √ 2 = ab , tenemos que 2 = implica que a2 es un número par 5 Teo. 1: si n2 es par, entonces n es par (propuesto: demostrar) 6 Usando Teo. 1, tenemos que a es par, o sea, ∃c tal que a = 2c 7 Entonces, 2b2 = (2c)2 , por lo que b2 = 2c2 8 Usando Teo. 1, tenemos que b también es par 9 Esto es una contradicción, nuestro supuesto en el paso 3 es que a y b no tienen factores comunes 10 Conclusi √ ón: como ¬p es F por contradicción, podemos concluir que 2 es irracional Si ¬p ⇒ F es V, esto significa que ¬p es F (o sea, nuestro supuesto inicial fue incorrecto), y que entonces p es V √ Ejemplo: Muestre que 2 es número irracional Demostración: 1 p: √ 2 es número irracional. Queremos demostrar p por contradicción 2 3 4 √ Asumir que ¬p es V, o sea, 2 es número racional √ Si 2 es n√úmero racional, entonces existen dos enteros a, b tales que 2 = ab , donde a, b no tienen factores comunes . . . sigue en la siguiente diapo √ 2 es número irracional Como a2 , b2 ası́ que a2 = 2b2 , lo que Reducción al Absurdo Reducción al Absurdo Demostración por Contradicción Ejemplo Ejemplo: Mostrar que si m es un entero par, entonces m + 7 es impar Veamos como demostrar que p ⇒ q es V por reducción al absurdo Demostración: Asumir que ¬(p ⇒ q) es V, o sea, que p ∧ ¬q es V 1 Usar las reglas de inferencia y teoremas ya demostrados para llegar a una contradicción, o sea, p ∧ ¬q ⇒ F p : m es entero par, q : m + 7 es entero impar. Quiero demostrar p ⇒ q por contradicción 2 Asumir que p ∧ ¬q es V, o sea ∃k, ` tal que m = 2k y m + 7 = 2` 3 Si m + 7 = 2`, entonces m = 2` − 7 = 2` − 8 + 1 = 2(` − 4) + 1 = 2h + 1. O sea, m es impar 4 Esto contradice nuestro supuesto inicial, entonces fue incorrecto asumir que ¬q es V 5 Conclusión: como q es V, podemos concluir que p ⇒ q es V Una contradicción significa que nuestro supuesto de que ¬q es V es incorrecto. Entonces, como q es V, tenemos que p ⇒ q es V Ejemplo: Mostrar que si m es un entero par, entonces m + 7 es impar Demostración por Casos Demostración por Casos Ejemplo ¿Cómo podemos demostrar algo de la forma (p1 ∨ p2 ∨ · · · ∨ pn ) ⇒ q? p1 , p2 , . . . pn representan distintos casos Usemos equivalencias lógicas: (p1 ∨ p2 ∨ · · · ∨ pn ) ⇒ q ≡ (p1 ⇒ q) ∧ (p2 ⇒ q) ∧ . . . (pn ⇒ q) O sea, si demostramos pi ⇒ q, ∀i = 1 . . . n (usando las técnicas que quieran), hemos demostrado la implicación original Ejemplo: Demostrar que si x, y son números reales, entonces max(x, y) + min(x, y) = x + y Demostración: Identificar casos que sirvan para hacer la demostración. Por ejemplo, si hay mı́nimos y máximos, es útil saber cual número es mayor/menor, por lo que definiré: p1 : x < y, p2 : x > y, p3 : x = y Quiero demostrar que si (p1 ⇒ q) ∧ (p2 ⇒ q) ∧ (p3 ⇒ q), donde q : max(x, y) + min(x, y) = x + y sigue . . . Demostrar que (p1 ⇒ q) ∧ (p2 ⇒ q) ∧ (p3 ⇒ q) Caso 1: (x < y ⇒ q) 1 Si x < y, sabemos que max(x, y) = y, min(x, y) = x (def. de max, min) Entonces, max(x, y) + min(x, y) = y + x = x + y (conmut. +) 3 Conclusión: (x < y ⇒ q), por demostración directa 2 Caso 2: (x > y ⇒ q). Demostración similar a la anterior, solo que max(x, y) = x y min(x, y) = y Caso 3: (x = y ⇒ q) 1 Si x = y, sabemos que max(x, y) = x = y, min(x, y) = x = y 2 Entonces, max(x, y) + min(x, y) = x + y 3 Conclusión: (x = y ⇒ q), por demostración directa Conclusión: como (p1 ⇒ q) ∧ (p2 ⇒ q) ∧ (p3 ⇒ q) es V, podemos concluir que p ⇒ q es V Demostración de Equivalencia Ejemplo Demostrar que n2 es impar ⇒ n es impar (q ⇒ p) Para demostrar cosas de la forma p ⇔ q Intento 1: demostración directa 2 1 Asumir que n es impar, demostrar que n es impar 2 2 2 Si n es impar, significa que ∃k tal que n = 2k + 1 √ 3 Entonces, n = ± 2k + 1 . . . ¿y que mas podemos inferir? Podemos usar la tautologı́a p ⇔ q ≡ (p ⇒ q) ∧ (q ⇒ p) Usando las técnicas de demostración que quieran, deben demostrar las dos implicaciones para demostrar que p ⇔ q es V esto parece ser un camino sin salida, cambiemos de técnica Intento 2: demostración indirecta 2 1 Asumir que n es par, demostrar que n es par 2 Si n es par, entonces ∃k tal que n = 2k 2 2 2 2 3 Entonces, n = (2k) = 2(2k ) = 2`, o sea, n es número par 4 Conclusión: hemos demostrado que la contrareciproca de q ⇒ p Ejemplo: Demostrar que el entero n es impar si, y solo si, n2 es impar Demostración: 1 p : n es impar, q : n2 es impar, queremos demostrar que p ⇔ q 2 Ya demostramos que p ⇒ q, ver ejemplo de Demostración Directa 3 Falta probar que q ⇒ p es V, ası́ que la implicación original es V Conclusión: como p ⇒ q y q ⇒ p son V, sabemos que p ⇔ q es V OJO: Si no logran completar una demostración, intenten con otra técnica, otra formalización de p, q, otros casos, etc. Técnicas de Demostración Demostración de Existencia Existen dos estrategias para demostrar teoremas de la forma ∃x P(x): 1 Encontrar un elemento a tal que P(a) es V. No siempre se conoce el valor de a, solo hay que demostrar que existe 2 Demostrar que tal elemento no existe, o sea que ∀x ¬P(x) es V Para teoremas con cuantificadores: Para demostrar que ∀x P(x) es V: Aplicar particularización universal: P(c), donde c es elemento arbitrario 2 Demostrar que P(c) es V, tal como lo hemos hecho en las diapos anteriores 3 Generalizar el resultado para concluir que ∀x P(x) es V 1 Demostración de Existencia Ejemplo: Muestre que existen dos números irracionales x, y tales que xy es racional Demostración: Del ejemplo de Reducción al Absurdo, sabemos que número irracional √ 2 Consideremos el número 2 : √ √2 Caso 1: si 2 es racional, hemos encontrado valores de x, y Demostración de Unicidad Contraejemplos √ 2 es 1 √ 2 que hacen que el√teorema sea verdadero Caso 2: ¿y si √ 2 2 es irracional? Demostración de Existencia Demostración de Unicidad Ejemplo Ejemplo: Muestre que existen dos números irracionales x, y tales que xy es racional Demostración: Sabemos que √ √ 2 es número irracional √ 2 Caso 1: si 2 es racional, hemos encontrado valores de x, y que hacen que la expresión sea verdadera √ √2 √ √2 √ Caso 2: ¿y si 2 √ es irracional?√ Tomemos x = 2 e y = 2. √ 2 √2 √ 2.√2 √ 2 y Entonces, x = ( 2 ) = 2 = 2 = 2, que claramente es racional Conclusión: en ambos casos encontramos valores de x, y irracionales tales que xy es racional, ası́ que la expresión es V Demostración de Unicidad Algunos teoremas afirman la existencia de un único elemento con cierta propiedad (∃!x P(x)). Para demostrar esto, debemos probar dos cosas: 1 Existencia: existe un elemento que cumple la condición 2 Unicidad: este elemento es único Esto es lo mismo que demostrar ∃x (P(x) ∧ ∀y (y 6= x ⇒ ¬P(y))) Técnica común para estas demostraciones: Demostrar que ∃x P(x) Asumir que que existe y 6= x tal que P(y) sea V, y llegar a una contradicción Contraejemplos Ejemplo Ejemplo: si a y b son números reales y a 6= 0, entonces existe un único número real r tal que ar + b = 0 Quieren demostrar una expresión de la forma ∀x P(x) Pero encuentran un valor de x tal que P(x) es F . . . . . . por lo que ∀x P(x) es F. Este x es un contraejemplo Demostración: − ba es la solución de la ecuación Existencia: es fácil ver que r = ar + b = 0, ası́ que existe un número real r tal que ar + b = 0 Unicidad: Asumir que existe un número real s 6= r tal que as + b = 0 Como ar + b = 0 y as + b = 0, tenemos que ar + b = as + b 3 Restando b a ambos lados, nos queda que ar = as 4 Como ar = as y a 6= 0 (parte de la premisa), la única posibilidad es que r = s, lo que contradice nuestro supuesto inicial 5 Conclusión: no existe s 6= r tal que as + b = 0, o sea, si s 6= r , entonces as + b 6= 0 1 2 Conclusión: como hemos demostrado la existencia y unicidad de r, podemos concluir que la expresión es V Ejemplo: para todo n, si n es entero impar, entonces n+1 2 también es entero impar Demostración: ¿Existe un n0 tal que n0 es impar pero n02+1 sea par? ¿Qué tal n0 = 7? Es fácil ver que n02+1 = 82 = 4, que es par Conclusión: la expresión es falsa Recomendación: antes de intentar demostrar un ∀, intenten ver si existe algún contraejemplo. Importante: no pueden demostrar que un ∀ es V usando solo ejemplos